Загадка первая: откуда взялась жизнь?

Биология – в переводе с греческого «наука о жизни» – понятия не имеет, откуда взялся предмет ее изучения. Ситуация не уникальная – физики, например, тоже не слишком хорошо понимают, как именно возникли постоянная Планка или сила тяготения. Но только в биологии, пожалуй, вопросы о «начале начал» имеют настолько острое значение.

Американский генетик советского происхождения Феодосий Добржанский говорил, что ничто в этой науке не имеет смысла, если оно не пропущено через теорию эволюции.

В основании биологической науки лежат классические, описательные дисциплины: зоология, ботаника, микробиология и т.д. И как-то само собой разумеется, что целью изысканий каждой из них является как можно более детальное прояснение той или иной ветви эволюционного древа.

При этом за последние сто лет огромная часть биологии отпочковалась от исходной, описательной науки и слилась с медициной, образовав единую биомедицинскую отрасль. Для нее характерен другой подход, аналитический. Ученый не просто описывает мышь – он прививает ей новые гены и наблюдает за результатом. Но почему нас так интересуют мыши, обезьяны и дрозофилы? Ответ прост: благодаря теории эволюции мы знаем, что работа мышиного организма принципиально ничем не отличается от работы нашего собственного. Как результат, аналитическая биология позволяет достичь куда большей практической пользы, чем описательная.

Но есть и третья форма биологии, которая в наши дни только начинает зарождаться. Сегодняшний «аналитический» биолог модифицирует живой организм, чтобы понять, как он работает. Завтра он будет для этого создавать организмы с нуля – таков подход синтетической биологии.

Действительно, самый верный способ разобраться в устройстве любого механизма – это построить его самому. Уже сегодня ученым удается синтезировать в пробирке целые геномы и заставлять их работать в живой клетке. Этот эксперимент однозначно показывает, какие именно гены необходимы для существования жизни – а значит, открывает невиданные возможности для их модификации, видоизменения и подчинения нашей воле. Открытия аналитической биологии делаются «сверху вниз»: организм раскладывается на как можно более базовые компоненты. Синтетическая биология, наоборот, исследует живое «снизу вверх»: из как можно более базовых компонентов составляется целый организм.

Но как начать «синтезировать жизнь», если в происхождении жизни так мало понятного? В упомянутом примере с искусственным геномом ученые внедряли его в живую клетку, из которой была удалена собственная ДНК. Таким образом, из двух главных компонентов живого – клетки и содержащихся в ней генов – ученым пока удалось синтезировать только один.

Жизнь появилась на Земле около 3,5 – 4 млрд лет назад: по геологическим меркам почти сразу после образования планеты 4,5 млрд лет назад. Но сколько-нибудь серьезная «летопись» сегодняшней биологии начинается значительно позже: к тому моменту клетки уже дышали кислородом, усердно синтезировали тысячи белков, многие из них уже давно объединились в многоклеточные организмы, которые уже умели спариваться, активно искать пищу и даже запоминать информацию.

Для синтетического биолога принципиальны самые древние, потерянные в веках этапы эволюции, в ходе которых были заложены базовые принципы организации живого. Почему, например, белки состоят исключительно из левовращающих аминокислот? Химическая структура этих «бусин» белковых цепей такова, что они могут существовать в двух зеркально отраженных формах, называемых лево- и правовращающими. Казалось бы, химические свойства этих молекул не различаются: они состоят из одних и тех же атомов на одних и тех же расстояниях друг от друга. Тем не менее, все живое использует исключительно левовращающие аминокислоты.

Есть ли в этом глубокий смысл, или это случайность, унаследованная нами от «первородной» клетки? Можно ли создать «правовращающий белок»? «Правовращающий организм»? Будут ли они отличаться от других живых существ? Эти загадки напрямую связаны с происхождением жизни. Список можно продолжать: обязателен ли фосфор в ДНК? Возможна ли жизнь без клетки? Какие химические вещества необходимы для самовоспроизведения? Практические возможности, скрытые за этими вопросами, безграничны.

Даже если жизнь была занесена на Землю из космоса, как считают многие, это никак не отменяет вопросы, стоящие перед эволюционной – и синтетической – биологией будущего. Если жизнь появилась не на Земле, то где, и главное – как? Вполне вероятно, что эта загадка так и останется нерешенной – хотя никто не знает, какие открытия принесет завтрашний день.

Все организмы, живущие сегодня на планете, произошли от одного общего предка. Но этот предок уже обладал клеткой и всеми ее базовыми компонентами. Науке неизвестно ничего ни о тупиковых ветвях эволюции до появления общего предка, ни о том, существовали ли другие, параллельные «древа жизни».

Загадка вторая: откуда взялись мы?

В какой бы форме ни появилась впервые жизнь на Земле, через три с половиной миллиарда лет эволюция произвела на свет прямых предков вида Homo sapiens – человека разумного.

Происхождение этой уникальной обезьяны изучено значительно лучше, чем эволюция большинства других видов. Но по понятным причинам и наше внимание к вопросу куда выше, чем в применении к другим животным. Нас не очень интересует, как именно мигрировали по континентам предки полевок или куропаток. Но когда дело касается наших ближайших родственников, их путешествия по миру и взаимодействия между собой превращаются в настоящий исторический детектив.

Совсем недавно ученые выстраивали всю генеалогию человеческого рода на костях. Скелеты, найденные в разных частях света, анализировались по таким признакам, как строение зубов и объем черепа. Исходя из этих данных, скелеты группировались в виды, и на основании их сходств и различий выстраивалась картина постепенного превращения глупых обезьян в умных людей с палкой в руках.

Как стало понятно в последние годы, такая картина имеет мало общего с реальностью. Эволюция ближайших предков человека – не последовательное превращение одних видов в другие, а разветвленное древо со множеством тупиковых ветвей. Понять, как именно эти ветви связаны между собой, бывает крайне трудно. Сегодня в этом нам помогают новейшие технологии анализа ДНК, полученной из ископаемых останков.

К примеру, на наших глазах разворачивается остросюжетная научная драма о взаимоотношениях наших прямых предков – ранних Homo sapiens – с кузенами: неандертальцами и денисовцами.

Создал ли труд человека?

До XX века археология представляла собой довольно шаткую науку, склонную в каждой найденной кости видеть доказательство величия человека. Среди стройных, но совершенно необоснованных гипотез ранней археологии выделяется идея о том, что освоение орудий труда – якобы невиданное в природе явление – прямо определило появление людей. Отголоски этой гипотезы слышны в названии вида Homo habilis – человека умелого, раньше считавшегося самым древним представителем рода Homo.

Сегодня очевидно, что использование орудий далеко не уникально для человека. С камнями и палками неплохо управлялись, например, древние обезьяны – панантропы. Орудия используют и современные животные, например, вороны, дельфины, слоны и, конечно, множество приматов. О том, что именно заставило предков человека встать на ноги и развить огромный мозг, ученые спорят до сих пор, но чрезмерная романтизация «умелости» сегодня устарела.

В 2010-м году был расшифрован геном неандертальца. На основании анализа полученных данных был сделан вывод: этот вид, раньше считавшийся независимым, на самом деле активно скрещивался с нашими предками и привнес в ДНК современного европейца от 1 до 4% генетической информации.

Незадолго до этого – в 2008-м году – был обнаружен еще один «кузен» современного человека – денисовец. Тот тоже был не прочь приударить за «разумными» барышнями: у сегодняшних жителей некоторых регионов Юго-Восточной Азии от него осталось 3 – 5% ДНК.

Некоторое время выстраивалась довольно стройная картина этого любовного треугольника. В Африке от общего предка возникают три ветви рода Homo. Неандертальцы переселяются в Европу, денисовцы – в Азию. В Африке остается третья ветвь. Она постепенно превращается в человека разумного и идет гулять по миру, «подцепляя» на западе и востоке соответствующие гены от уже живущих там «кузенов». В дальнейшем Homo sapiens вытесняет и тех, и других двоюродных братьев с лица Земли (как именно – еще одно белое пятно в истории), но сохраняет «отпечатки» и неандертальцев, и денисовцев.

Однако совсем недавно ученые из Института эволюционной антропологии в Лейпциге умудрились расшифровать часть генома общего предка всех трех ветвей человеческой эволюции. Несмотря на то, что этот предок еще не был ни неандертальцем, ни денисовцем, его останки были найдены в Испании – исходя из принятой картины получалось, что он должен был покинуть Африку и ступить на тропу «неандертализации».

Однако результаты генетического анализа были шокирующими. ДНК «испанского» человека оказалась гораздо ближе к геному денисовца, которого вообще не должно было быть в Европе! Выходит, вся сложившаяся картина наших отношений с денисовцами и неандертальцами – далеко не бесспорный факт.

Описанный пример – только один из многочисленных открытых вопросов современной палеоантропологии. В том, что человек произошел от обезьяны, сегодня сомневаются только религиозные фанатики. Но что именно происходило с нашими предками пару миллионов лет, разделяющих спуск с деревьев и записанную историю – по большому счету, загадка до сих пор.

Были определены 78 нуклео­тидных замен, которые отличают современного человека от неандертальца. Указаны функции 5 генов, для которых характерны множественные замены. Одни из них активны в коже и волосах, явно участвуют в создании «человеческой» внешности и особенностях зрительного восприятия (CAN15). Другие, очевидно, связаны с мыслительными особенностями человека. Один из генов определяет активность сперматозоидов – вероятно, он эволюционировал под действием полового отбора.

Загадка третья: что такое вирус?

В случае с человеком, да и с большинством современных животных и растений, можно хотя бы примерно прочертить связь с эволюционными предками. Этим не могут похвастаться вирусологи. В сущности, наука до сих пор не понимает, что такое вирус.

Дело в том, что эти микроскопические бесклеточные паразиты вообще не вписываются в систему живого мира. Все известное нам живое состоит и происходит из клеток. Вирус тоже существует только при помощи клеток: для самовоспроизведения ему требуется хозяин. Если бы с планеты вдруг исчезли все клетки, то вирусы бы превратились в бессмысленные пузырьки белков и ДНК, неспособные ни на какие биологические функции.

Как появилась такая странная форма существования материи? Основных версий две.

Первая версия: вирусы – это беглые гены. Такой сценарий несложно представить. В нашем геноме встречаются элементы, называемые транспозонами, которые могут вырезать самих себя из одной части генома и вставлять в другую. Иногда эти «подвижные гены» захватывают с собой другие фрагменты ДНК, оказавшиеся по соседству. Предполагается, что миллиарды лет назад один из таких «подвижных генов» случайно собрал в одном комплекте минимальный набор, необходимый для самостоятельного существования: слева, допустим, оказалась «копировальная машина», нужная для воспроизведения ДНК, а справа – «перочинный ножик», с помощью которого можно было попасть в новую клетку. С этого момента ген превратился в вирус и стал эволюционировать отдельно от родительского организма.

Вторая версия: вирусы – это упрощенные клетки. Ряд ученых сегодня склоняется к этой версии прежде всего благодаря обнаружению ряда гигантских вирусов, по своим размерам сопоставимых с клетками. Согласно этой версии, вирусы могли когда-то быть клеточными организмами – например, бактериями. Эти бактерии научились паразитировать на других, более крупных клетках. Постепенно они избавились от всего ненужного, включая собственную «клеточную аппаратуру» – и таким образом превратились в вирусы, сохранившие только несколько генов и «инструменты», нужные для заражения.

Эта гипотеза подкрепляется историчес­ким прецедентом. Нечто подобное произошло с митохондриями – «энергостанциями», входящими в состав наших клеток. Когда-то они были бактериями, но потом вступили в союз с более крупными клетками, потеряли независимость и сегодня составляют их неотъемлемую часть.

Как и в вопросе происхождения жизни, история вирусов теряется в веках. У вирусов нет костей или раковин, они не оставляют окаменелостей или следов в осадочных породах. Не исключено, что вирусы появлялись независимо (возможно, разными способами) несколько раз. Почти наверняка известно, что все живые организмы появились из одной клетки. Применимо ли это к «полуживым» вирусам – до сих пор неизвестно.

Существует и третья версия происхождения вирусов, согласно которой они возникли еще до того, как появились их хозяева – клетки. По этой версии, изначально существовала виросфера самовоспроизводящихся генетических элементов. Часть из таких элементов приобрела клеточную структуру и в конечном итоге дала начало всем трем доменам жизни. Вирусы же постепенно перешли к паразитизму и продолжили эволюционировать параллельно клеточным хозяевам.

Загадка четвертая: зачем нужен сон?

Мы проводим во сне треть жизни – и при этом совершенно не понимаем, почему. Нам кое-что известно о том, что во сне происходит, и отчасти – почему сон мог появиться. Но ответить на вопрос, почему именно сон так необходим, наука пока не может.

Суточные ритмы в целом и сон в частности очевидным образом связаны с вращением Земли вокруг Солнца. Какими бы характеристиками ни отличалось животное, почти для любого из них существует время суток, когда безопаснее ничего не делать, а просто сидеть тихо и не высовываться. Довольно логично, что сон мог появиться как способ экономии энергии в таком «режиме ожидания». Остальные же функции сна – например, обработка и упрочнение памяти – вероятно появились в качестве «надстроек» над этим режимом.

Но эта теория совершенно не объясняет, почему сон так необходим. Научно документированный рекорд по намеренной депривации сна (без применения стимуляторов) составляет 11 дней и принадлежит американцу Рэнди Гарднеру. Даже такой не слишком внушительный рекорд может закончиться плачевно: в 2012-м году от сходного по продолжительности бессонного марафона скончался китайский футбольный фанат, ночами напролет смотревший Евро-2012. Крайне опасны болезни, повреждающие механизмы сна. Неизлечимое наследственное заболевание под названием фатальная семейная бессонница говорит само за себя: после появления симп­томов пациенты не проживают и года.

Проекции участков мозга, активность которых меняется после депривации сна. Зеленым показано снижение активности, красным – повышение.

Существуют ли животные, которые не спят? Этим вопросом задались ученые из Висконсинского университета в Мэдисоне. Рассмотрев имеющиеся данные, они сделали вывод: ни одного четко и однозначно доказанного случая существования «неспящего» животного на сегодняшний день нет. Это не исключает такой возможности: авторы подчеркивают, что данные о сне для большинства видов крайне скудны.

Тем не менее, имеющихся сведений достаточно для довольно однозначной картины: без сна не могут прожить ни люди, ни крысы, ни даже мухи с тараканами. Всё указывает на то, что сон – такое же универсальное свойство живого, как дыхание или наследственность. Но если смысл последних сегодня очевиден, то над ролью сна ученым придется изрядно попотеть.

Что снится мухе?

Новые технологии существенно продвинули наши возможности для изучения сна у других видов. Например, современное оборудование позволяет снять нечто похожее на электроэнцефалограмму… у спящей мухи. В прошлогоднем исследовании ученые из Квинслендского университета в Австралии показали, что мухи не только спят, но и имеют разные фазы сна – как и мы сами. Эти фазы различаются глубиной и чередуются в течение ночи, причем время «глубокого сна» увеличивается, если мухи сильно устают. Вообще говоря, мушиный сон настолько напоминает наш, что ученые вовсю обсуждают использование дрозофил в качестве модели для изучения отклонений, для которых характерно нарушение сна.

Загадка пятая: что такое «Я»?

Последняя загадка, о которую разбивается сегодняшняя биология, тоже связана с нервной деятельностью, но куда более сложной, чем сон дрозофилы. Сознание – настолько комплексный и сложно определяемый процесс, что долгое время человек высокомерно определял его как собственное уникальное свойство.

Сегодня уникальность сознания человека – вопрос скорее философский, чем биологический. Бесспорно, что человек достиг невиданных высот в развитии своего интеллекта. Но есть ли в строении и работе нашего мозга что-то качественно новое? Скорее всего, нет. У собак есть эмоции, обезьяны умеют считать, а у дельфинов даже есть подобие языка со своей грамматикой и культурными различиями в разных частях света. Изучая животных, мы интуитивно понимаем, что часть из них хотя бы отдаленно догадывается о собственном существовании. Но мы до сих пор совершенно не понимаем, что именно стоит за этой осознанностью. Проще говоря, мы не знаем, что такое сознание.

В последние годы нейробиология достигла небывалых высот. Мы неплохо представляем, как работают нервные клетки, как они активируются или подавляются и как взаимодействуют между собой. Нам известно, что изменяется в составе этих клеток при обучении и формировании памяти. Мы знаем, какие участки мозга отвечают за то или иное поведение.

Но знать, что префронтальная кора как-то связана с социальными взаимодействиями, а нейроны в ней обстреливают друг друга особыми молекулами и электрическими полями – еще совсем не означает понимать, как одно получается из другого. Сегодня ученые предпринимают самые первые попытки моделировать работу простейших нейронных сетей: существующими данными можно однозначно описать «сознание» разве что медуз. «Взломать» человеческое сознание наука пока не в силах, как бы этого ни хотелось любителям научной фантастики.